Кабельные термоэлектрические преобразователи и методика их периодическое поверки непосредственно на термометрируемом объекте

1. Актуальность проблемы.

В современной промышленности все более строгие требования предъявляются к точности измерения параметров технологических процессов вообще и температуры в частности. Так как значительная часть всех температурных измерений в промышленности и научных исследованиях приходится на долю термоэлектрических преобразователей (далее ТП), чувствительными элементами которых являются термопары, вопрос достоверности их показаний приобретает все большую актуальность.

В соответствии с Законом РФ "Об обеспечении единства измерений", устанавливающим правовые основы обеспечения единства измерений в Российской Федерации, средства измерений подлежат поверке - совокупности операций, выполняемых органами государственной метрологической службы, определяющих и подтверждающих соответствие средств измерений установленным техническим требованиям.

До настоящего времени первичная и периодическая поверка ТП осуществлялась по единственной в РФ утвержденной в установленном порядке методике, изложенной в ГОСТ 8.338-2002 "Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки". В основе методики лежит предположение о том, что величина термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), развиваемой ТП, зависит только от разницы температур между горячим и холодным спаями и не зависит от изменений температуры по длине термоэлектродов, и это верно, но только в том случае, если термоэлектроды поверяемого и эталонного ТП однородны.

В процессе эксплуатации в термоэлектродах ТП неизбежно возникает неоднородность. Скорость развития неоднородности и её величина зависят от ряда причин, связанных с воздействием внешней среды, особенно при высокой температуре, и вызывающих изменения состава и структуры материала.

Проведение периодической поверки ТП, эксплуатировавшихся некоторое время, а значит неизбежно приобретших неоднородность, способом непосредственного сличения, изложенным в ГОСТ 8.338-2002, может привести к ложным выводам. Причиной служит то, что величина ТЭДС зависит не только от разницы температур между горячим и холодным спаями, но и от профиля температурного поля, в котором проводится сличение, т.е. на каком именно участке ТП реализован перепад температуры, и какова величина неоднородности на этом участке.

На нецелесообразность периодической поверки в лабораторных условиях (что предусматривает методика ГОСТ 8.338-2002) указывается в международных нормативных документах. Так, в стандарте ASTM International E220-02, регламентирующем калибровку ТП методом сравнения, вообще не рассматривается возможность калибровки (поверки) ранее эксплуатировавшихся ТП, в частности п. 6.3 гласит: "В основе метода лежит предположение о том, что калибруемые термоэлектроды однородны. Отклонения от этой идеализированной ситуации вносят вклад в погрешность при использовании результатов испытания. Это влияние обычно пренебрежительно мало для нового, не бывшего в употреблении материала термопары, в отличие от уже использовавшихся термопар, особенно изготовленных из неблагородного металла". Аналогичная точка зрения изложена в рекомендациях (EAL-G31) Европейской ассоциации по аккредитации лабораторий для гармонизации процесса калибровки (поверки) ТП в различных лабораториях.

В других международных нормативных документах, также касающихся термометрии, таких как, стандарт международного общества SAE AMS (требования к аэрокосмическим материалам) 2750D "Пирометрия" и руководство по использованию термопар MNL-12 американского общества по испытанию материалов, есть рекомендации, предписывающие проводить калибровку ТП непосредственно на объекте, при тех же условиях, в которых он используется. Сегодня это самый надежный способ повышения достоверности измерений температуры с помощью ТП.

Однако и предлагаемые способы обладают рядом недостатков, таких как невысокая точность метода, дополнительные затраты на его реализацию и обеспечение безопасности.

В 2007 г. комитетом Е20 ASTM International инициирована разработка стандарта "Новые методы испытаний для поверки термопар на объекте и в лабораторных условиях" (New Test Methods for Thermocouple Verification for Insitu and Laboratory Calibration). На сайте ASTM опубликован проект раздела "Область применения", содержащий следующее: "В этом стандарте будет установлен ряд испытаний, которые могут применяться для новых и бывших в употреблении термопар. Стандарт будет распространяться на тестирование термопар в рабочих условиях на объекте и в лабораторных условиях".

2. Решение проблемы.

В ПК "Тесей" проведен большой объем исследований, и мы предлагаем следующее комплексное решение проблемы периодической поверки ТП во время их эксплуатации.

1. Устанавливать на объектах кабельные термоэлектрические преобразователи КТХА, КТНН, КТХК и КТЖК модификаций 21.05, 21.06, 21.07, 21.08, 21.16, 21.20, 21.21, которые являются конструктивными аналогами термопреобразователей 01.05, 01.06, 01.07, 01.08, 01.16, 01.20, 01.21 и отличаются от них наличием дополнительного канала, что позволяет устанавливать внутрь защитного чехла контрольное или эталонное средство измерения.

Перечисленные ТП внесены в Государственный реестр средств измерений под № 36765-08, сертификат об утверждении типа СИ № 30385, и выпускаются по техническим условиям ТУ 4211-001-10854341-07.

Исключительное право ПК "Тесей" на кабельные термоэлектрические преобразователи серии 21.ХХ подтверждено патентом на изобретение № 2299408.

Конструкция рабочей зоны термопреобразователей КТХА 21.06-020. Рядом с термочувствительным элементом установливается контрольная термопара. КТХА 21.06-020

2. Проводить периодическую поверку указанных ТП в соответствии с рекомендацией: "ГСИ. Преобразователи термоэлектрические с дополнительным каналом для эталонного кабельного термоэлектрического преобразователя. Методика поверки", утвержденную и зарегистрированную ФГУП "ВНИИМС" 12 декабря 2007 года под № 3091-2007 в рамках Государственной системы обеспечения единства измерений.

Расширенная неопределённость периодической поверки ТП по методике № 3091-2007 не превышает расширенную неопределенность поверки по ГОСТ 8.338.

Исключительное право ПК "Тесей" на методику подтверждено патентом на изобретение № 2325622 .

3. В качестве эталонного средства измерения использовать преобразователи термоэлектрические кабельные эталонные 3-го разряда КЭТНН, изготовленные из аттестованных бухт термопарного кабеля и предназначенные для поверки непосредственно на термометрируемом объекте преобразователей термоэлектрических типа КТХА, КТНН, КТХК, КТЖК модификаций 21.ХХ, имеющих дополнительный канал для установки эталонного или контрольного средства измерения, в диапазоне температур от 200 до 1100°C.

Полное описание конструкции КЭТНН представлено в разделе каталога "Эталонные средства измерения температуры".

КЭТНН внесены в Государственный реестр средств измерений под № 36735-08, сертификат об утверждении типа СИ № 30380, и выпускаются по техническим условиям ТУ 4211-012-10854341-07.

Исключительное право ПК "Тесей" на эталонные кабельные термоэлектрические преобразователи подтверждено патентом на полезную модель № 39200.

4. Применять в качестве средства поверки двухканальный микропроцессорный измеритель температуры HH506RA с пределами неопределенности измерений не более ±(0,05%(от измеряемого значения) +0,4)°С. Измеритель обладает возможностью автоматической записи результатов измерений во встроенную память и дальнейшей передачи информации на персональный компьютер.
Прибор внесен в Госреестр средств измерений, сертификат №31188.